液氢，一匹桀骜不驯的野马

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1、液氢，一匹桀骜不驯的野马　　编者按：如今，越来越多的人注意到了传统的偏二甲肼/四氧化二氮燃料的毒性和环境不友好性。随着新一代液氧煤油大推力火箭发动机的发展，有很多人开始想起了液氢液氧发动机。同样是低温燃料发动机，为什么以液氢为燃料的发动机没能迅速普及开来呢？实际上，想要驯服液氢这匹动力强劲又个性十足的野马需要非凡的耐心和先进的技术。　　目前，大推力的液体火箭发动机主要使用偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氢液氧三种燃料体系。其中，偏二甲肼/四氧化二氮组合的比冲（火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量，其数值越大表

2、示燃料的效能越高。）为348秒，液氧煤油组合的比冲为347秒。而液氢液氧组合的比冲达到了457秒，足足比传统的有毒推进剂的比冲高出了31%！这是目前依靠燃烧产生的高速喷流来推进的化学火箭发动机中少有的比冲超过400秒的。既然性能这么好，那干脆所有的大推力火箭发动机都用液氢液氧组合好了。别着急，液氢可不是这么容易就会乖乖地为人类服务的。　　冷峻深处暗藏的危险　　在人们关注液氢当中蕴含的巨大能量的时候，往往会忽视液氢极低的温度。作为宇宙中存在数量最大的原子和元素周期表中排名第一的元素，氢的性质当然不会稀松平常。液

3、态氢的沸点为-253℃。这个温度足以使液氢成为一种极为冷峻的物质了。在自然界中，只有沸点为-268.9℃7的液氦可以和液氢共存。其他的气体遇到冰冷的液氢只能被冻成冰坨。这原本是一种正常的自然现象，气体温度在沸点之下，就会成为液体，在凝固点之下，就会进一步变成固体。但是，在火箭发动机复杂的管路系统中，这个现象会蕴含着非常大的危险。通常来说，空气中有78%的氮气和21%的氧气，氮气的凝固点为-210℃，氧气的凝固点为-218.79℃。在向火箭燃料储箱中加注液氢的时候，如果不提前进行处理的话，空气就会被包裹在沸腾的

4、液氢中，冻成一块块的冰颗粒。　　实际上，情况还没有这么简单。氮气的凝固点虽然比氧气高一些，看起来会先被冻住，但其实氮气分子的尺寸较小，其逃脱的本领要比氧气强。根据大量的测试试验，人们得出了这样的结论：被液氢冻住的空气冰块中，含氧量高达52%。我们在做中学化学实验的时候，已经见识过了试管中的氢气与空气混合到一定比例的时候，会发生爆鸣的现象。而在52%的氧气浓度下，液氢的“爆脾气”很容易被激发出来，一粒沙子从一米的高度坠落的能量，就足以引爆液氢与高氧浓度冰块的混合物。在液氢输送管道中，棱角分明的蓝盈盈的冰坨之间碰

5、撞的能量会很容易引爆整个液氢输送系统。早期研究液氢液氧发动机的美国人在这方面吃了不少苦头。　　即使液氢中冻结的这些空气冰块没能引起爆炸事故，也会给火箭发动机带来其他隐患。火箭的燃料输送系统与人体的血管有一些相似之处，既有粗壮的主动脉，也有逐渐变细的血管直至毛细血管，中间还会穿过心脏和其他重要脏器。那些冰块在主管路中尚能随着液氢流动，但是当流到较细的管道或者阀门处的时候，就会发生堵塞。即使这些冰块顺利地通过了这些关卡，也会最终在喷嘴那里挡住液氢的去处。这就是液氢液氧发动机在燃烧过程中出现不稳定现象的一个原因。7

6、2台固体火箭发动机和3台液氢液氧发动机为航天飞机提供了强大的推力。与固体火箭发动机的尾焰相比，液氢液氧发动机的尾焰几乎是不可见的。　　氢气是宇宙中的已知气体里密度最小的，氢气的体积是同等重量空气的14倍，要想让火箭带上充足的氢气上天，将氢气液化几乎是个必然选择。总不能让火箭带着硕大无比的氢气囊发射吧。（室温下的氢气体积是同等重量的液氢的840倍，想象一下体积变大800多倍之后的火箭！）但是，液氢极低的温度又会导致空气在里面冻成冰块。怎样解决这个矛盾呢？　　技术人员想到的办法是：把空气吹走。上世纪50年代，在普

7、惠公司和马绍尔飞行测试中心的共同努力下，美国人研制出了他们的第一台液氢液氧发动机――RL-10。为了避免燃料管路中出现恼人的冰块（搞不好是会要人命的），他们琢磨出了一整套把空气从火箭储箱中赶出去的方法：在地面上，用氮气把储罐吹一遍，使储罐中充满氮气，这样即使出现冰块，也不至于发生爆炸。然后，用高纯度的氦气把氮气吹走。因为氦气的凝固点是-272.2℃，比液氢的沸点低了将近20℃，因此氦气是不会在液氢中冻住的。另外，氦气是惰性气体，懒得和氢气发生什么瓜葛，残存的氦气会随着发动机的燃气排出。为了保证在火箭上升的过程

8、中不会出现液氢吸收空气中的氧气的情况，技术人员给使用RL-10发动机的火箭搭配了装有高压氦气的罐子。在火箭中的液氢燃料进入燃烧室之前，一直会有一股强大的氦气流吹过液氢箱、推进剂输送管道、燃料泵、发动机冷却排气管和燃烧室，保证液氢一路上不会与空气发生接触。RL-10火箭发动机的改进版在多种运载器上得到了应用，“土星一号”火箭的第二级使用6台，“半人马座”7火箭的上面级使用2台，德尔塔-4运载火箭上面级